nghiên cứu ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG LỰC TRỌNG TRƯỜNG
ĐẾN CÁC ĐẶC TÍNH TRUYỀN NHIỆT
VÀ LƯU CHẤT TRONG BỘ TRAO ĐỔI NHIỆT
MICROCHANNEL
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ:T2011-07TĐ/KHCN-GV

S KC 0 0 3 3 2 7

Tp. Hồ Chí Minh, 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
LỰC TRỌNG TRƯỜNG ĐẾN CÁC ĐẶC
TÍNH TRUYỀN NHIỆT VÀ
LƯU CHẤT TRONG BỘ TRAO ĐỔI
NHIỆT MICROCHANNEL
Mã số: T2011-07TĐ/KHCN-GV

Chủ nhiệm đề tài: TS. Đặng Thành Trung

TP. HCM, 12/2011


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ĐIỂM

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
LỰC TRỌNG TRƯỜNG ĐẾN CÁC ĐẶC
TÍNH TRUYỀN NHIỆT VÀ
LƯU CHẤT TRONG BỘ TRAO ĐỔI
NHIỆT MICROCHANNEL
Mã số: T2011-07TĐ/KHCN-GV

Chủ nhiệm đề tài: TS. Đặng Thành Trung
Thành viên đề tài: KS. Đoàn Minh Hùng

TP. HCM, 12/2011


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

MỤC LỤC

Thông tin kết quả nghiên cứu

2

Information on research results

3

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt

4

Phần 1. Giới thiệu

6

Phần 2. Phương pháp thực nghiệm

13

Phần 3. Các kết quả và thảo luận

22

Phần 4. Kết luận và kiến nghị

30

Lời cảm ơn

31

Tài liệu tham khảo

36

Phụ lục

35

Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính
truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel
- Mã số: T2011-07TĐ/KHCN-GV
- Chủ nhiệm: TS. Đặng Thành Trung
- Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM
- Thời gian thực hiện: 01/01/2011 đến 30/12/2011
2. Mục tiêu:
- Đặt nền tảng cho hướng nghiên cứu về lĩnh vực truyền nhiệt Micro/nano
tại Bộ môn công nghệ Nhiệt-Điện lạnh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật nói
riêng và các trường đại học khác trên cả nước nói chung.
- Cố gắng bắt kịp các nước tiên tiến một trong những hướng nghiên cứu
hiện tại và tương lai về lĩnh vực cơ khí nhiệt và lưu chất.
3. Tính mới và sáng tạo:
Nghiên cứu này là nghiên cứu đầu tiên trong nước và cũng là một trong
những nghiên cứu mới trên thế giới.
4. Kết quả nghiên cứu: Đạt yêu cầu đặt ra
5. Sản phẩm:
Hai BTĐN microchannel và một số cảm biến nhiệt độ.
01 bài báo khoa học đăng tạp chí SCI, 01 bài báo đăng tạp chí EI và 01 bài
báo đăng hội nghị quốc tế
6. Hiệu quả, phƣơng thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng
áp dụng:
Tính đến ngày 24/11/2011, kết quả nghiên cứu đã được trích lục hơn 6 lần
bởi Scopus.
Trƣởng Đơn vị

Chủ nhiệm đề tài


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

(ký, họ và tên)

(ký, họ và tên)

INFORMATION ON RESEARCH RESULTS
1. General information:
Project title: Influence of gravity on the heat transfer and fluid flow
behaviors of the microchannel heat exchangers.
Code number: T2011-07TĐ/KHCN-GV
Coordinator: Thanhtrung Dang, Ph.D.
Implementing institution: Hochiminh city University of Technical
Education
Duration: from January 01, 2011 to December 30, 2011
2. Objective(s):
Build the research on Micro/Nano heat transfer areas at the Department of
Heat and Refrigeration Technology, Hochiminh city University of Technical
Education in specially and other universities of Vietnam in generally.
Try to follow several developed countries about one of present and future
researches regarding themo-fluidics.
3. Creativeness and innovativeness:
The study is the first research in Vietnam and is also one of the new
researches on the world.
4. Research results:
The proposed objectives have been achied.

5. Products:
Two microchannel heat exchangers
A SCI journal paper, a EI journal paper, and a EI international conference
paper.


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

6. Effects, transfer alternatives of reserach results and applicability:
Up to November 24, 2011, the results have been cited more than six times
by Scopus.

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ac

diện tích mặt cắt, m2

BTĐN bộ trao đổi nhiệt
Dh

đường kính quy ước, m

f

hệ số ma sát Fanning

h

hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/m2K

k

hệ số truyền nhiệt tổng, W/m2K

L

chiều dài kênh micro, m

m

lưu lượng khối lượng, kg/s

NTU chỉ số truyền nhiệt đơn vị (Number of Transfer Unit)
Nu

chỉ số Nusselt

p

áp suất, Pa

P

đường kính ướt, m

Q

lượng nhiệt truyền qua thiết bị, W

q

mật độ dòng nhiệt, W/m2

R

nhiệt trở, m2K/W

Re

chỉ số Reynolds

T

nhiệt độ, K

Greek symbols


độ nhớt động lực học, Ns/m2



khối lượng riêng, kg/m3


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel



hệ số dẫn nhiệt, W/m K



vận tốc, m/s



hiệu suất



chỉ số hoàn thiện, W/kPa

T

nhiệt độ chênh lệch, K

p

tổn thất áp suất, Pa


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

PHẦN 1. GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, công nghệ Mico/Nano đang được ứng dụng trong
nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật. Trong đó, thiết bị truyền nhiệt microchannel là
một trong những ứng dụng của công nghệ này, nó được ứng dụng trong lĩnh vực
giải nhiệt các linh kiện điện tử, trong kỹ thuật hóa học, trong các nhà máy điện
nguyên tử micro,... Bộ trao đổi nhiệt (BTĐN) microchannel có ý nghĩa quan trọng

trong những phạm vi sử dụng cần không gian hẹp, mật độ dòng nhiệt cao hay thiết
bị truyền nhiệt nhỏ gọn. Có rất nhiều nghiên cứu về các BTĐN micro như cho
dòng chảy một pha, dòng hai pha, một số BTĐN micro dùng trong hệ thống điều
hòa không khí với môi chất lạnh là C02, tối ưu hóa cho các BTĐN micro, những
ứng dụng của BTĐN micro,.. Trong các nghiên cứu đó, nghiên cứu liên quan đến
BTĐN micro cho dòng chảy một pha được đề cập nhiều nhất.
Một nghiên cứu tổng quan về BTĐN microchannel liên quan đến vật lý dòng
chảy, các phương pháp gia công và các ứng dụng đã được thực hiện bởi Bowman
and Maynes [1]. Trước tiên, nghiên cứu này đã giới thiệu những kết quả thực
nghiệm và mô phỏng số học của dòng chảy lưu chất trong kênh micro. Xa hơn
nữa, một số phương pháp gia công cho các thiết bị micro như gia công micro, khắc
hóa chất, gia công laxe, gia công bởi máy chính xác,.. cũng đề cập. Tổng quan về
đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trong BTĐN micro cũng đã thực hiện
bởi Dang cùng cộng sự [2]. Tổng quan của kết quả thực nghiệm liên quan đến
truyền nhiệt đối lưu của dòng chảy một pha trong kênh micro cũng đã được thực
hiện bởi Morini [3], với những kết quả thu được cho hệ số ma sát, trạng thái quá
độ từ chảy tầng đến chảy rối và hệ số Nusselt trong kênh có đường kính quy ước
nhỏ hơn 1 mm. Dang [4] đã nghiên cứu đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu
chất cho những BTĐN micro có kênh hình chữ nhật cho cả mô phỏng số học lẫn


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

thực nghiệm.
Brandner cùng cộng sự [5] đã mô tả những BTĐN micro và ứng dụng của nó
trong phòng thí nghiệm và ngoài công nghiệp. Trong nghiên cứu của họ, một số bộ
trao đổi nhiệt micro đã được giới thiệu như BTĐN micro dùng vật liệu là polymer,
nhôm, gốm ceramic,.. Một phân tích về hiệu suất và tổn thất áp suất trong BTĐN
micro có dòng chảy cắt nhau được thực hiện bởi Kang và Tseng [6]. Henning cùng
cộng sự [7] đã chế tạo 3 BTĐN micro với dạng kênh chuẩn và thẳng, dạng kênh

ngắn và thẳng và dạng kênh hình sóng. Kết quả thực nghiệm thể hiện rẳng kênh
chuẩn thẳng là lựa chọn tốt nhất cho dòng chảy có lưu lượng cao.
Bộ trao đổi nhiệt micro làm từ thép không gỉ W316L được nghiên cứu bởi
Brandner [8]. Trong nghiên cứu này, truyền nhiệt trong BTĐN micro có thể được
nâng lên bởi sử dụng những dãy cột micro sắp so le để đạt được trạng thái chảy
quá độ hay chảy rối. Các BTĐN loại ngược chiều và cắt nhau dùng vật liệu
ceramic đã được gia công bởi Alm cùng cộng sự [9]. Những thiết bị này được
dùng trong lĩnh vực kỹ thuật nhiệt và hóa học. Hệ số truyền nhiệt của BTĐN loại
cắt nhau đã đạt được 22 kW/(m2K). Hallmark cùng cộng sự [10] đã nghiên cứu
thực nghiệm trên BTĐN dạng màng ống mao micro làm từ plastic. Năng lượng
được lấy đi bởi BTĐN này như là một hàm của năng lượng điện cấp vào khi tăng
lưu lượng dòng chảy. Jiang cùng cộng sự [11] đã nghiên cứu về dòng chảy lưu
chất và truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức trong BTĐN microchannel. Trạng thái quá
độ từ chảy tầng sang chảy rối được tìm thấy trong khoảng hệ số Reynolds ≈ 600.
Một phương pháp gia công mới cho bề mặt truyền nhiệt của BTĐN micro
được thực hiện bởi Schulz cùng cộng sự [12]. Bởi phương pháp khắc axít kết hợp
với mạ điện kim loại, dãy các thanh Đồng được tạo nên trên bề mặt truyền nhiệt
của ống, ở cùng nhiệt độ, mật độ dòng nhiệt hoặc hệ số truyền nhiệt thu được từ
ống micro cao hơn giá trị thu được từ ống trơn. Lee cùng cộng sự [13] đã nghiên


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

cứu các BTĐN micro sử dụng vật liệu Polimer. Kết quả mô phỏng số học và thực
nghiệm đã được so sánh với sự sai lệch nhiệt độ trên bề mặt con chip là 2C.
Wei [14] đã chế tạo bộ tản nhiệt ghép sử dụng công nghệ gia công micro.
Hasan [15] đã nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước và hình dạng kênh cho
BTĐN micro ngược chiều bởi sử dụng phần mềm mô phỏng số học CFD
FLUENT. Chỉ số hoàn thiện đạt giá trị cao nhất cho kênh hình tròn, đạt giá trị thứ
hai cho kênh hình vuông. Ameel cùng cộng sự [16] đã thực hiện một tổng quan về

công nghệ thiết bị nhỏ và ứng dụng của nó. Dựa trên công nghệ MEMS
(Microelectromechanical systems), các phương pháp gia công (máy micro dựa
trên nền Silicon, khắc quang bằng tia X, máy gia công micro,…) đã được thảo
luận dựa trên những ứng dụng đến dòng chảy lưu chất, truyền nhiệt và hệ thống
năng lượng.
Một nghiên cứu số học cho BTĐN micro có kênh hình thang được thực hiện
bởi Dang [17]. Những ảnh hưởng của sơ đồ dòng chảy đến đến các đặc tính truyền
nhiệt của BTĐN micro được thực hiện bởi Dang cùng cộng sư [18-20]. Cho tất cả
những trường hợp nghiên cứu, mật độ dòng nhiệt thu được từ sơ đồ ngược chiều
thu được luôn cao hơn sơ đồ cùng chiều: giá trị thu được từ sơ đồ ngược chiều cao
hơn sơ đồ cùng chiều từ 1,1 đến 1,2 lần.
Dang và Teng [21-26] đã nghiên cứu những ảnh hưởng của hình học (như là
bề dày tấm gia công BTĐN, tiết diện cắt và vị trí dòng chảy vào/ra) đến trạng thái
truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất trên những BTĐN micro. Nó được tìm thấy
rằng nhiệt lượng thực tế truyền qua thay đổi không đáng kể với bề dày substrate từ
1,2 đến 2 mm. Thêm vào đó, một so sánh các đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy
lưu chất giữa BTĐN micro và mini đã được thực hiện. Nghiên cứu cũng đã đưa ra
những kết quả mô phỏng số học sử dụng lời giải ổn định và bất ổn định. Các kết
quả mô phỏng số học 3D cho các BTĐN micro với dòng chảy một pha trong [18-


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

20, 22-26] được thực hiện bởi phần mềm đa vật lý COMSOL, phiên bản 3.5.
Thuật toán của phần mềm này dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả thu
được từ mô phỏng số khớp với kết quả thu được từ thực nghiệm, với phần trăm sai
số tối đa là 9%.
Bảng 1 đã liệt kê những đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất cho
những BTĐN micro một pha. Trong đó nước là môi chất làm việc phổ biến nhất.

Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

Bảng 1. Tổng hợp các BTĐN micro với dòng chảy một pha [2]
Tài liệu
Brandner [5]
Kang [6]

Vật liệu/
Hình dạng
Polymer
Silicon/Rect

Môi
chất
Water
Water

Lƣu lƣợng

Truyền nhiệt

Tổn thất
áp suất

m: 10-400 kg/h
m:
0.0643-0.07
kg/s

q: 0.2-1.1 W/cm2
Q: 2,690-2,925 W

0-0.4 MPa
0.16-0.28 MPa
(Hot side)
0.22-0.44 MPa
(Cold side)

Given the same
effectiveness

m: 0.1746-0.0026
kg/s

Q: 500-7,300 W

Given the
temperature

Q: 2,780-3,030 W

10-400 kPa
(Hot side)
10-900 kPa
(Cold side)
None

Henning [7]

Metal

Water

m: 0.0663-0.724
kg/s
m: 0.1803-0.0027
kg/s
m: 64 kg/h

Brandner [8]

Stainless steel/
Rect

Water

m: 0-400 kg/h

Q: 0-8,500 W

m: 0-300 kg/h

Q: 0-12,000 W

0-6.2x105
Pa
None

m: 10-140 kg/h

h: 7-22 kW/m2K
(For crossflow HE)

20-450 kPa
(For

Copper/Rect

Alm [9]

Ceramic

Water

Water

Ghi chú

Q: 500-7,500 W

None

Q: 3,000 W

None

same

Given the same

effectiveness
Given the same
temperature
Electrical power up
to 3 kW with
effectiveness
~ 0.95
For
hydraulic
diameter of 70 m
For
staggered
microcolumns

counterflow

h: 125-230 W/m2K

HE )
None

Kv:11-38.5 MW/m3K

3.3-90 kPa

q:
1,000-17,000
W/m2
Q: 0-14 W

None

R: 0.24×10-4 – 0.12
×10-4 Cm2/W
 = f (Kr)

p = f(V)

m: 0.0579–0.1158
g/s

q: 12 – 13.6 W/cm2

None

Water

m: 0.1859-0.3625 g/s

q: 6.5 – 8.2 W/cm2

500-1400 Pa

Water

m: 0.2043-0.401g/s

q: 14.3 – 17.8 W/cm2
 : 13.9-21.7 W/kPa

Hallmark
[10]
Jiang [11]

Plastic

Water

Copper/ Rect

Water

Schulz [12]

Copper/ tube

Water

V: 30 or 60 or 120
mL/min
m:
0.0093-0.34
kg/s
V: 4 L/m

Lee [13]

PDMS/ Rect

Water

None

Wei [14]

Silicon/Rect

Water

Hasan [15]

Silicon

Water

V:
1.4×10-6
5.8×10-6 m3/s
Re = 50

Silicon/
Trapezoidal
Aluminum/Rect

Water

Aluminum/Rect

–

Dang [17-26]

0-10 kPa

7.8 kPa

Overheat from 416 oC
The top chip’s
temperature was
125 oC
for
several
channels
For
rectangular
channel

With the mass flow
rate of the hot side
of 0.1667 g/s
With the mass flow
rate of the hot side
of 0.2321 g/s

(Chú thích: Rect- Hình chữ nhật, Q-Nhiệt lượng, q-Mật độ dòng nhiệt, R-Nhiệt trở, h-Hệ số truyền nhiệt đối lưu, Kv- Hệ số truyền nhiệt đối lưu theo thể
tích,

Nu - Số Nusselt trung bình, SLM-Lít/phút chuẩn, m-Lưu lượng khối lượng, V-Lưu lượng thể tích, PDMS- polydimethylsiloxane)

Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

Hình 1. Hệ số truyền nhiệt đối lưu và kích thước kênh [27]

Ảnh hưởng của đường kính quy ước đến quá trình truyền nhiệt trong kênh
micro được mô tả trong hình 1 cho môi chất làm việc là nước và không khí dưới
điều kiện dòng chảy tầng đã phát triển hoàn toàn. Sự tăng nhanh hệ số truyền nhiệt
đối lưu với sự giảm kích thước kênh đã minh chứng rõ ràng trên hình 1.
Với BTĐN micro được mô tả trên hình 2, mật độ lưu lượng khối lượng có
thể đạt được 2000 kg/m2s được đo với môi chất làm việc là nước và có tổn thất áp
suất là 0,5 MPa trên mỗi pass. Để lưu lượng khối lượng qua BTĐN micro lớn,
nhiều BTĐN có thể được ghép song song với nhau. Hình 3 mô tả một BTĐN
micro được ghép từ 5 BTĐN riêng lẻ. BTĐN này được làm từ thép không gỉ; công
suất nhiệt cực đại của bộ này có thể đạt tới 1 MW [5].

Hình 2. BTĐN micro ngược chiều dùng vật liệu thép không gỉ [5]


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

Hình 3. BTĐN micro hợp thành bởi 5 BTĐN riêng lẻ [5]

Từ những tài liệu liên quan ở trên về BTĐN microchannel, mục đích của
nghiên cứu này là thực hiện một nghiên cứu bằng thực nghiệm những ảnh hưởng
của lực trọng trường đến các đặc tính nhiệt và dòng chảy lưu chất của những bộ
trao đổi nhiệt microchannel. Trong phần nghiên cứu này, môi chất làm việc là
nước khử Ion và được sử dụng ở chế độ chảy tầng, dòng một pha. Hai BTĐN
microchannel được dùng làm thực nghiệm với điều kiện thay đổi lưu lượng khối
lượng ở phía nước lạnh. Các kênh micro của hai BTĐN này có diện tích mặt cắt
hình chữ nhật.

Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

PHẦN 2. PHƢƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
2.1 LẮP ĐẶT HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM
Trong hệ thống thí nghiệm này, ba bộ phận chính đã được sử dụng: mẫu thí
nghiệm (BTĐN microchannel), hệ thống bơm và hệ thống đường ống, như được
thể hiện ở hình 4. Trong nghiên cứu này, hai bộ trao đổi nhiệt microchannel đã
được dùng làm thí nghiệm. Quá trình truyền nhiệt của những thiết bị này được
thực hiện giữa nước nóng và nước lạnh. Nước nóng và nước lạnh chảy ngược
chiều nhau trong BTĐN. Hình 5 thể hiện kích thước của các mẫu thí nghiệm.
Nhôm được dùng làm vật liệu để chế tạo những BTĐN microchannel này, với hệ
số dẫn nhiệt 237 W/(mK), khối lượng riêng 2700 kg/m3 và nhiệt dung riêng đẳng
áp 904 J/(kgK).
P
T
Van
xả khí
Bơm

Thùng
phụ

BTĐN micro

T

Gia
nhiệt Bộ gia

sơ bộ nhiệt

Nguồn
nước

P

Cân lưu
lượng

Bơm
Cân lưu
lượng
Thùng phụ

Hình 4. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm các BTĐN kênh micro [4, 22-26]

Với mỗi BTĐN microchannel, phía cho nước nóng đi qua có 10 kênh và phía
cho nước lạnh đi qua cũng có 10 kênh micro. Chiều dài của mỗi kênh là 32 mm.


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

Những kênh micro này có diện tích mặt cắt hình chữ nhật với chiều rộng và chiều
sâu của kênh tương ứng là Wc và Dc. Trong một BTĐN kênh micro, tất cả những
kênh được nối với nhau bởi một kênh góp cho đầu vào và một kênh góp cho đầu
ra, tương ứng cho cả hai phía nóng và lạnh. Những kênh góp này cũng có cùng
diện tích mặt cắt: Mặt cắt có hình dạng hình chữ nhật với bề rộng 3 mm và bề sâu
300 µm.

Hình 5. Kích thước của các mẫu thí nghiệm
Bảng 2. Các thông số hình học của các BTĐN kênh micro [4, 28,29]
Số
TT
T1
T2

Kích thước của substrate
(mm)
L
W
T
46
26,5
1,2
46
26,5
1,2

Kích thước của
kênh (m)
Wc
Dc
500
300
500
180

Bảng 3. Tính chất vật lý của PMMA và bông thuỷ tinh [27]
Vật liệu

Khối lƣợng

Hệ số dẫn


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

PMMA
Bông thuỷ tinh

riêng
kg/m3
1420
154

nhiệt
W/(mK)
0,19
0,051

Hình 5 mô tả các kích thước của một mẫu thí nghiệm. Trong nghiên cứu
này, hai BTĐN đã được thiết kế và chế tạo, với các kích thước được liệt kê ở Bảng
2. Hình 6 thể hiện một hình ảnh của một BTĐN microchannel. Mẫu thực nghiệm
này được gia công bởi phương pháp gia công micro chính xác [3] ở trên mặt trên
và mặt dưới của nó, mẫu này thường hay được gọi là Substrate. Mỗi đầu vào và
đầu ra của BTĐN có diện tích mặt cắt là 9 mm2. Bốn phía ngoài (bốn mặt bên) của
BTĐN được bọc cách nhiệt bởi bông thuỷ tinh có chiều dày 5 mm. Để làm kín các
kênh micro, hai tấm PMMA (polymethyl methacrylate) được dán lên mặt trên và
mặt dưới của BTĐN kênh micro bởi công nghệ dán dùng tia cực tím UV, như thể

hiện ở hình 6. Tính chất vật lý của các tấm PMMA và bông thuỷ tinh được liệt kê
trong bảng 3 [27]. Một hình ảnh của hệ thống thí nghiệm được thể hiện ở hình 7.

PMMA

Bông
thuỷ tinh

Substrate

Hình 6. Một BTĐN micro dùng vật liệu bằng nhôm [22]


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

Hình 7. Ảnh của hệ thống thí nghiệm

Dữ liệu thực nghiệm cho BTĐN microchannel đã thu được dưới điều kiện
nhiệt độ trong phòng thí nghiệm không đổi từ 25 – 26 ºC. Nước khử Ion (DI
water) đã được sử dụng như là môi chất làm việc. Mỗi đầu vào hoặc đầu ra của
BTĐN đều được gắn hai cảm biến nhiệt độ để lưu trữ liệu nhiệt độ, do vậy tổng
cộng có tám cảm biến đựơc sử dụng để ghi nhiệt độ. Ở mỗi phía (phía nóng và
phía lạnh) có gắn bộ cảm biến áp suất để đo tổn thất áp suất. Sai số của các cảm
biến và thiết bị đo đựơc liệt kê trong bảng 4. Thêm vào đó, sai số của các kích
thước kênh micro đựơc kiểm tra bởi máy quét laze của hãng Mitaka/Ryokosha, mã
hiệu NH-3. Sai số của máy quét laze này khi đo kích thước được ước lượng
khoảng ± 0,03 µm. Các thiết bị đã được sử dụng để làm thực nghiệm được liệt kê
như sau [4, 22-26]:
1. Cảm biến nhiệt độ T
2. Bơm, mã hiệu PU-2087, sản xuất bởi Jasco

3. Bơm, mã hiệu VSP-1200, sản xuất bởi Tokyo Rikakikai
4. Điện trở, mã hiệu AXW-8, sản xuất bởi Medilab
5. Cảm biến áp suất, mã hiệu PMP4110, sản xuất bởi Duck
6. Cân điện tử, mã hiệu TE-214S, sản xuất bởi Sartorious.


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

Bảng 4. Sai số của dụng cụ đo
Các thông số
Sai số
Nhiệt độ
 0.1 C
Áp suất
 0.025% FS
Lưu lượng khối lượng
 0.0015 g
Chiều sâu kênh
 7 m
Chiều rộng kênh
 10 m
Chiều dài kênh
 70 m

Trước khi đo nhiệt độ đầu vào, chúng ta đảm bảo rằng tất cả các cảm biến
nhiệt độ hiển thị giá trị giống nhau ở nhiệt độ môi trường. Tiếp theo đó, hệ thống
được hoạt động ổn định khoảng 20 phút mới bắt đầu lấy số liệu. Sau đó, giá trị
nhiệt ghi trong khoảng 10 phút, giá trị nhiệt độ này đựơc tính bởi trung bình cộng
giá trị của các cảm biến nhiệt tại cùng vị trí đó của 10 lần ghi. Mỗi đầu vào/đầu ra
của BTĐN đều được gắn 2 cảm biến nhiệt.

Trước khi đo tổn thất áp suất, sự điều chỉnh đựơc thực hiện để đảm bảo
rằng tổn thất áp suất giữa đầu vào và ra bằng không khi không có dòng lưu chất đi
qua. Tiếp theo đó, hệ thống được hoạt động ổn định khoảng 20 phút mới bắt đầu
lấy số liệu. Sau đó, giá trị áp suất ghi trong khoảng 10 phút, giá trị áp suất này
đựơc tính bởi trung bình cộng giá trị của 10 lần ghi.
Lưu lượng khối lượng của bơm được ghi bởi máy tính và kiểm tra bởi cân
điện tử chính xác. Trước khi đo lưu lượng khối lượng, chúng ta đảm bảo rằng giá
trị cân bằng 0,0000 gam. Tiếp theo đó, hệ thống được hoạt động ổn định khoảng
20 phút mới bắt đầu lấy số liệu. Sau đó, giá trị lưu lượng ghi trong khoảng 10
phút, giá trị nhiệt độ này đựơc tính bởi trung bình cộng giá trị của 10 lần ghi.
2.2. PHÂN TÍCH DỮ LIỆU
Để phân tích những đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy lưu chất, một số giả
thiết được đưa ra:


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

- Dòng chảy lưu chất chảy tầng
- Lưu chất không nén và có tính liên tục
- Truyền nhiệt ổn định
- Bỏ qua truyền nhiệt bức xạ.
Những phương trình chính yếu trong hệ thống này bao gồm phương trình liên
tục, phương trình mômen và phương trình năng lượng.
Phương trình liên tục
 u v w 




u

v
w
      0
t
x
y
z
 x y z 

(1)

Phương trình Moment

u
u
u
u
1 p    2u  2u  2u 
u
v w


 


t
x
y
z
 x   x 2 y 2 z 2 

2
2
2
v
v
v
v
 u  v  w   1 p     v2   v2   v2 
t
x
y
z
 y   x y
z 

w
w
w
w
1 p    2 w  2 w  2 w 

u
v
w

 


t
x

y
z
 z   x 2 y 2 z 2 

(2a)

(2b)

(2c)

Phương trình năng lượng

T
T
T
T
   2T  2 T  2 T 
u
v
w

Q



t
x
y
z c p  x 2 y 2 z 2  i

(3)

Với những điều kiện thực nghiệm trong nghiên cứu này, những đặc tính của
lưu chất như mật độ dòng nhiệt, hiệu suất truyền nhiệt, tổn thất áp suất và chỉ số
hoàn thiện của BTĐN sẽ được đề cập như sau.
Lượng nhiệt tối đa, Qmax, được tính bởi

Qm ax  mc m in Th ,i  Tc ,i 

Lượng nhiệt truyền qua thiết bị, Q, được tính

(4)


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

Qc  mc cc Tc ,o  Tc ,i 

(5)

Hiệu suất truyền nhiệt (Theo phương pháp NTU) được xác định


Qc
Qm ax

(6)

Mật độ dòng nhiệt được tính
q

Qc m c c c (Tc,o - Tc,i )

A
nL cWc

(7)

Hay
q = k Tlm =

Tlm
R

(8)

Nhiệt trở tổng R được xác định

R  R

cond

 Rconv

(9)

Độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit được xác định
Tlm 

Tmax  Tmin

T
ln max
Tmin

(10)

Trong đó m là lưu lượng khối lượng (ký hiệu h và c tương ứng thể hiện cho phía
nóng và phía lạnh), n là số kênh micro, c là nhiệt dung riêng, Th,i, Th,o, Tc,i và Tc,o là
nhiệt độ đầu vào và đầu ra tương ứng cho phía nóng và phía lạnh, q là mật độ dòng
nhiệt, A là diện tích truyền nhiệt, k là hệ số truyền nhiệt tổng, Rcond   /  là nhiệt
trở do dẫn nhiệt, Rconv  1 / hh  1 / hc là nhiệt trở do đối lưu, hh and hc là hệ số toả
nhiệt đối lưu tương ứng cho phía nóng và phía lạnh,  là chiều dày của tấm trao
đổi nhiệt,  là hệ số dẫn nhiệt, và Tlm độ chênh nhiệt độ trung bình Logarit.
Chỉ số Reynolds được xác định:
Re 

wDh
2m


 Wc  Dc 

(11)

Tổn thất áp suất do ma sát được xác định bởi:
p  2 fw 2

L
L
 2 f Re 2 w

Dh
Dh

(12)


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

Trong đó Dh  4 Ac / P là đường kính quy ước, w là vận tốc của nước theo phương
z,  là độ nhớt động lực học,  là khối lượng riêng, Ac là diện tích mặt cắt, P là
chu vi ướt, L là chiều dài kênh và f là hệ số ma sát Fanning.
Tổng tổn thất áp suất của BTĐN được xác định
pt  p h  p c

(13)

Trong đó p h và pc là tổn thất áp suất tương ứng cho phía nóng và phía lạnh.
Chỉ số hoàn thiện,  , được xác định bởi [15, 25, 28, 29]


m c c c (Tc,o - Tc,i )
Qc

pt
ph  pc

(14)

Trong nghiên cứu này, sai số thực nghiệm đã được ước lượng theo phương
pháp được mô tả bởi Holman [30]; công thức sau khi giản đơn ở dạng cuối cùng

cho các sai số này được xác định như sau:
 m  2  c  2  T  T  2  W  2  L  2 
c ,i
  c   c  
  c    c    c ,o
q  mc   cc   Tc ,o  Tc ,i   Wc   Lc  



1/ 2

Uq

 m  2  c  2  T  T  2  W  2  L  2 
c ,i
   c    c  
 c    c    c ,o




 


 
U k  mc   cc   Tc ,o  Tc ,i   Wc   Lc  


2
2

2
2
k
 Th,i   Th,o   Tc ,i   Tc ,o 

 
 
 










 Th,i   Th,o   Tc ,i   Tc ,o 

2
2
2
2
2
U Re  m         Wc   Dc  
 
 
 
     

Re  m         Wc   Dc  



(15)
1/ 2

(16)

1/ 2

(17)

2
2
2
2
 m  2  c  2

 m   c   Tc ,o  Tc ,i   Th ,i  Tc ,i  
  c    c   



   

 mc   cc   m   c   Tc ,o  Tc ,i   Th ,i  Tc ,i  



U

 m  2  c  2  T  T  2  p  2  p  2 
c ,i
h
c
 
 
 
  c    c    c ,o
  mc   cc   Tc ,o  Tc ,i   ph   pc  



U

1/ 2

(18)

1/ 2

(19)


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

Bởi các sai số đã được ước lượng ở bảng 3, sai số thực nghiệm cực đại trong
quá trình xác định q, k, Re,  và  tương ứng là 2,1%, 2,2%, 3,1%, 0,9% và 3.3%
cho tất cả các trường hợp trong nghiên cứu này.

PHẦN 3. CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Một nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm về ảnh hưởng của lực trọng
trường đến lưu chất của BTĐN microchannel T1 đã được thực hiện để tìm ra ảnh
hưởng của lực trọng trường tác động ra sao đến đặc tính truyền nhiệt và tổn thất áp
suất cho BTĐN này, chi tiết thí nghiệm này được thể hiện rõ hơn trong [22]. Trong
điều kiện thí nghiệm cho trường hợp này, nhiệt độ đầu vào và lưu lượng khối
lượng của lưu chất phía lạnh được giữ cố định tương ứng là 21,5C và 0,2906 g/s.
Cho phía nóng, lưu lượng khối lượng được giữ cố định ở giá trị 0,2503 g/s và
nhiệt độ đầu vào thay đổi từ 45 đến 70C. Trong nghiên cứu này, tác động của lực
trọng trường được xác định cho hai trường hợp: Trường hợp thứ nhất với các kênh
micro đặt thẳng đứng và trường hợp thứ hai với các kênh micro đặt nằm ngang.
Trong trường hợp các kênh đặt thẳng đứng, nước nóng có chiều đi lên phía trên
ngược chiều với lực trọng trường, trong khi đó nước lạnh có chiều đi từ trên xuống
cùng chiều với lực trọng trường. Các giá trị thực nghiệm trong trường hợp này


Ảnh hưởng lực trọng trường đến các đặc tính truyền nhiệt và lưu chất trong bộ trao đổi nhiệt microchannel

được liệt kê trong bảng 5.
Bảng 5. Sai số của dụng cụ đo
Th,i
45
50
55
60
65
70

Th,o
31.2
33.7
35.7
37.4
39.7
42.4

Tc,o
32.9
35.4
37.8
40.1
42.6
45.4

Qc
12.62994
15.66598
18.58059
21.37375
24.40979
27.81016

q
(W/cm2)
7.893713
9.79124
11.61287
13.35859

15.25612
17.38135

Hình 8 thể hiện các kết quả thực nghiệm về ảnh hưởng của lực trọng trường
lên đặc tính truyền nhiệt cho BTĐN microchannel T1. Hệ số truyền nhiệt tổng của
BTĐN là một hàm của nhiệt độ nước đầu vào của phía nóng: Giá trị này tăng từ
0,727 đến 0,766 W/(cm2K) khi nhiệt độ đầu vào của phía nóng tăng từ 45 đến
70C. Sự gia tăng của hệ số truyền nhiệt tổng trong trường hợp nghiên cứu này
chậm (chỉ 5,4% trong khoảng nhiệt độ đầu vào của phía nóng đang được nghiên
cứu). Tuy nhiên, độ tăng của độ chênh nhiệt độ trung bình Logarít của BTĐN này
tăng nhanh hơn (từ 10,9 đến 22,7C hay tương ứng 108%) cho mật độ dòng nhiệt
thay đổi từ 7,89 đến 17,38 W/cm2 hay tương ứng 120% tăng trong khoảng nhiệt độ
đầu vào của phía nóng từ 45 đến 70C. Hình 8 cũng cho thấy rằng sự khác biệt của
những kết quả thu được từ những kênh micro đặt nằm ngang và những kênh đặt
thẳng đứng là rất nhỏ và không đáng kể.